Dinamometer Untuk Alat Uji penarikan Kawat (Perancangan ...

POLI REKAYASA Volume 14, Nomor 1, Oktober 2018 ISSN : 1858-3709

72

Dynamometer for Wire Retraction Test Equipment

(Design, Manufacture and Testing)

PENDAHULUAN

Salah satu contoh teknik pembentukan

logam adalah penarikan kawat (wire

drawing). Dengan penarikan kawat ini

didapatkan kawat berkekuatan tinggi, dan

diameter kawat sesuai dengan yang

diinginkan.

Parameter yang penting dalam

penarikan kawat adaiah gaya penarikan

kawat. Gaya penarikan adalah gaya yang

dibutuhkan untuk mendeformasi kawat agar

menghasilkan reduksi yang diinginkan.

Untuk mengukur gaya penarikan kawat

dilakukan dengan menggunakan peralatan

tambahan seperti dinamometer, load cell

dan lain-lain,

Pada penelitian ini dibuat dinamometer

berbentuk ring. Dinamometer ring ini

merupakan suatu alat pengukur gaya terdiri

dari komponen utama berupa sel beban

(load cell).

Tujuan penelitian Merancang dan

membuat dinamometer untuk pengujian

penarikan kawat. Dinamometer ini

berbentuk ring yang merupakan suatu alat

pengukur gaya berupa sel beban (load cell).

Sel beban (load cell) mempunyai beberapa

bentuk diantaranya link, beam., ring.

Penggunaan masing-masing load cell ini

tergantung kepada kebutuhan (bentuk

pembebanan). Untuk pengujian penarikan

kawat load cell yang digunakan adalah yang

berbentuk ring.

.

Lingkup penelitian, perancangan dan

pembuatan dinamometer yang dilanjutkan

dengan pengujian dengan multimeter

digital. Pengujian ini menghasilkan besaran

listrik berupa tegangan (voltage). Pengujian

penarikan kawat ini juga menggunakan

multimeter digital.

Asumsi Perancangan dinamometer

dirancang berbentuk ring dan sensor yang

digunakan adalah strain gage dengan

asumsi;

a. Material ring homogen dengan modulus

elastisitas sama untuk setiap bagian.

b. Analisis tegangan dianggap dua dimensi.

c. Beban tarik pada ring dianggap satu

sumbu.

Dinamometer Untuk Alat Uji penarikan Kawat

(Perancangan, Pembuatan dan Pengujian)

Abstract

The basic principle of metal formation is to change shape by giving an external force so that plastic deformation

occurs. One example of this formation is wire drawing. The important parameter in wire drawing is the drawing

force, which is the force needed to deform the wire to produce the desired reduction. The measurement of

withdrawal force is carried out through a wire drawing test equipped with a dynamometer, which consists of load

cell and strain gauge. From this test, the withdrawal force can be measured as an electrical quantity that can be

read using a multitester or computer. For wire drawing testing dynamometers are designed and made as

measuring sensors for withdrawal forces on a laboratory scale. From the results of testing with a dynamometer

the average wire drawing force for copper reduction I was 72.88 kgf, copper reduction II was 95.88 kgf and

brass was 126.50 kgf. The price of this test is greater than the theoretical price

Keywords: Wire, Drawing, Force, Dynamometer

Sir Anderson

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang Kampus Limau Manis Padang 25163

Email: [email protected]

mailto:[email protected]


73

d. Penambahan beban pada pengujian

dilakukan secara perlahan-lahan

sehingga beban penarikan yang bekerja

dapat dianggap bebaan statik.

e. Material strain gage lebih elastis

daripada material ring.

Proses-proses Pengerjaan Logam

Peran logam penting pada teknologi

modern terutama disebabkan kemudahan

pembentukannya menjadi bentuk-bentuk

yang berguna. Prinsip dasar pembentukan

logam adalah melakukan perubahan bentuk

pada benda kerja dengan cara memberikan

gaya luar sehingga terjadi deformasi plastis.

Contohnya : pengerolan (rolling), tempa

(forging), ekstrusi (extruding), penarikan

kawat (wire drawing) dan lain-lain.

Proses-proses pengerjaan logam antara

lain :

a. Teknik Pengecoran (Casting)

b. Teknik Pembentukan (Forming)

c. Teknik Pemesinan (Machining)

d. Teknik Pengelasan (Casting)

e. Perlakuan Panas (Heat Treatment)

f. Perlakuan Permukaan (Surface

Treatment)

Empat proses pertama mengubah

bentuk benda kerja dengan ciri-ciri proses

yang berbeda satu dengan yang lainnya.

Pada proses pengecoran, logam cair

dituangkan ke dalam cetakan. Logam cair

sejauh mungkin mengisi rongga cetakan,

sehingga setelah membeku diharapkan

bentuk benda kerjanya akan sama dengan

rongga cetakan.

Proses pemesinan adalah mengubah

bentuk benda kerja dengan cara membuang

sebagian logam dalam bentuk geram

(chips).

Yang dimaksud dengan proses

pengelasan adalah penyambungan dua

logam dengan pencairan sebagian dari

daerah logam yang akan disambung.

Dengan adanya proses pencairan dan

pembekuan di daerah tersebut

menyebabkan terjadinya ikatan sambungan.

Perbedaan proses peinbentukan dengan

proses yang lain yaitu :

a. Proses pengecoran.

Pemanasan dilakukan hingga logarn

mencair, sedangkan pada pengerjaan

panas (hot working) pemanasan yang

dilakukan untuk memudahkan terjadinya

deformasi plastis.

b. Proses pemesinan.

Pada proses pemesinan ini

menghasilkan geram,sedangkan proses

pembentukan tidak

c. Proses pengelasan.

Pencairan sebagian dari daerah logam

yang akan disambung.

Dalam membuat suatu benda kerja

biasanya dilakukan beberapa proses atau

proses tersebut merupakan alternatif

(pilihan).

Tujuan proses pembentukan logam yang

utama ada dua yaitu :

a. Mengubah bentuk benda kerja menjadi

bentuk yang dikehendaki.

b. Memperbaiki sifat logam dengan cara

memperbaiki struktur mikronya dengan

menghomogenkan dan menghaluskan

butir, menutup rongga cacat coran serta

meningkatkan kekuatan logam dengan

mekanisme strain hardening.

Klasifikasi proses pembentukan logam.

Dalam industri digunakan berpuluh-

puluh jenis proses pembentukan logam.

Untuk memudahkan pengkajian, maka

proses-proses tersebut diklasifikasikan

dengan beberapa cara, yaitu :

Berdasarkan daerah temperatur

pengerjaan

Berdasarkan jenis gaya pembentukan

Berdasarkan bentuk benda kerja

Berdasarkan tahapan produk

Klasifikasi berdasarkan temperatur

pengerjaaan

Menurut temperatur pengerjaannya,

proses pembentukan dibagi 2, yaitu :

Pengerjaan panas (Hot Working)

Pengerjaan dingin (Cold Working)

Jika ditinjau dari segi metalurgi batasan

dari kedua pengerjaan ada atau tidaknya


74

proses pemanasan, hal ini tidak sepenuhnya

benar. Batasan sebenarnya bedasarkan pada

temperatur rekristalisasi.

Proses pengerjaan panas adalah proses

pembentukan yang dilakukan pada daerah

temperatur rekristalisasi. Dalam temperatur

rekristalisasi terjadi peristiwa pelunakan

terus menerus sehingga mudah dideformasi

(deformasi yang diberikan kecil). Karena

sifat lunak dan ulet mengakibatkan gaya

pembentukan yang dibutuhkannya relatif

kecil, sehingga benda kerja mampu

menerima deformasi yang besar tanpa

terjadi retak.

Proses pengerjaan dingin adalah proses

pembentukan yang dilakukan dibawah

temperatur rekristalisasi. Dalam praktek

memang pada umumnya dilakukan pada

temperatur kamar (tanpa pemanasan benda

kerja). Disini terjadi peristiwa strain

hardening (pengerasan regangan) yaitu

logam akan bersifat makin kuat dan makin

keras, tetapi makin getas bila dideformasi

sehingga mudah terjadinya retak.

Klasifikasi berdasarkan gaya

pembentukan

Pembentukan dengan tekanan

Pada daerah deforrnasi bekeria

tegangan-tegangan tekan, Contohnya :

tempa (forging)

pengerolan (rolling)

Pembentukan dengan tekanan dan

tarikan

Pada daerah deformasi bekerja tegangan

tekan dan tegangan tarik. Gaya yang

diberikan adalah gaya tarik,

menyebabkan timbulnya gaya tekan dari

perkakas terhadap daerah deformasi.

Contoh:

penarikan kawat (wire drawing)

penarikan pipa (tube drawing)

penarikan dalam (deep drawing)

Pembentukan dengan tarikan.

Perubahan bentuk yang terjadi di daerah

deformasi disebabkan oleh tegangan

tarik. Contohnya: tarik regang

(stretching).

Pembentukan dengan tekukan.

Contohnya: proses tekuk (bending)

Pembentukan dengan geseran

(guntingan)

Pengguntingan melibatkan gaya geser

(gaya gunting) yang cukup besar untuk

memotong pada bidang geser

Klasifikasi berdasarkan bentuk benda

kerja

Berdasarkan bentuk benda kerjanya,

proses pembentukan logam dapat dibagi 2,

yaitu :

Pembentukan benda kerja masif atau

pejal.

Ciri utamanya adalah terjadinya

perubahan tebal benda kerja selama

diproses. Contohnya:

pengerolan

tempa

penarikan kawat

Pembentukan benda kerja pelat

Disini benda kerjanya adalah pelat yang

dideformasi menjadi bentuk tertentu,

tebalnya dapat dianggap tetap. Contohnya:

penarikan dalam

dan lain-lain

Klasifikasi berdasarkan tahapan produk.

Perbedaannya adalah dalam menghasilkan

produk, yaitu :

Proses pembentukan primer.

Proses yang menghasilkan produk-

produk setengah jadi. Contohnya:

pengerolan yang menghasilkan pelat.

ekstiusi yang menghasilkan batang.

Proses pembentukan sekunder.

Proses ini adalah proses lebih lanjut hasil

dari proses primer menjadi bentuk akhir.

Contohnya:

penarikan kawat, diproses menjadi

kavvat yang diameternya lebih kecil.

penarikan dalam memproses pelat

menjadi bentuk tabling.

Analisa Gaya Pembentukan.

Perencanaan proses pembentukan selain

meninjau teknologi proses, aspek

metalurgis pada benda kerjanya, perkiraan

besarnya gaya pembentukan, serta


75

mendapatkan ukuran besarnya mesin

ataupun peralatan yang diperlukan.

Analisa tegangan pada proses

pengerjaan logam merupakan bidang

plastisitas yang banyak diteliti selama 50

tahun terakhir ini. Karena gaya dan

deformasi pada umumnya cukup rumit,

biasanya digunakan asumsi penyederhanaan

untuk mendapatkan penyelesaian. Karena

regangan yang terlibat dalam proses

deformasi adalah besar, biasanya regangan

elastis dapat diabaikan dan yang

diperhatikan hanya regangan plastisnya.

Sebagai pendekatan pertama, pengerasan

regang dapat diabaikan dan yang

diperhatikan hanya regangan. Pada

pengerjaan panas, hal demikian dapat

diterima Selain itu bahan dianggap

isotropik dan homogen. Biasanya deformasi

logam dalam cetakan tidaklah seragam.

Masalah utama adalah cara untuk

memperoleh gambaran yang tepat mengenai

ketidak seragaman deformasi dan

perhitungan tegangan lokal. Akhir-akhir ini

telah dicapai kemajuan pesat berkat

penerapan metode elemen hingga pada

permasalahan plastisitas skala besar.

Kajian analitis proses pembentukan

logam adalah menentukan gaya-gaya yang

diperlukan sehingga menghasilkan

deformasi tertentu dari suatu bentuk

geometri. Perhitungan-perhitungan

demikian sangat berguna untuk memilih

atau merancang peralatan-peralatan yang

diperlukan. Teori yang ada umumnya sudah

cukup memadai. Persoalan yang tak kurang

pentingnya adalah peramalan batas

deformasi sebelum terjadi perpatahan. Pada

umumnya, teori mengenai batas

kemampuan bentuk dan kriteria patah

belum berkembang sepenuhnya.

Sebelum melangkah terlalu jauh,

sebaiknya kita tinjau kembali dasar-dasar

teori plastisitas. Hubungan yang paling

mendasar untuk deformasi plastis adalah

hubungan volume konstan. Seringkali

tegangan-tegangan dan regangan tekan

memegang peran utama pada proses

pembentukan logam. Jika balok dengan

tinggi awal h0 ditekan menjadi h1 regangan

tekan aksial akan menjadi.

Regangan sesungguhnya :

(2.1)

Regangan konvesional :

(2.2)

Regangan yang didapatkan adalah

negatif, ini menunjukkan bahwa

regangannya adalah regangan tekan. Tetapi

pada pembentukan logam, tegangan dan

regangan tekan dinyatakan positif Bila

menggunakan konvensi ini, maka harus

digunakan subskrip c. Jadi, regangan diatas

dinyatakan dengan :

Deformasi pembentukan logam sering

dinyatakan sebagai pengurangan luas

penampang lintang. Perbandingan

pengurangan diberikan oleh persamaan :

(2.3)

Dari hubungan volume konstan

diperoleh :

A1L1 = A0L0

atau

Untuk memperkirakan besarnya gaya

pembentukan telah dikembangkan beberapa

teori atau metoda analisa, dengan derajat

kerumitan yang makin tinggi dan

kemampuan meramalkan lebih cermat Teori

atau metoda yang telah dikembangkan

untuk memecahkan masalah plastisitas

tersebut adalah :

Teori Elementer (metoda slab)

Disini diasumsikan bahwa distribusi

tegangan pada penampang adalah seragam

(uniform).

Teori medan garis slip (slip-line field

theory)

Teori ini digunakan untuk menganalisa

proses deformasi yang bersifat regangan

bidang (plane strain) terhadap material

yang tidak mengalami pengerasan

Metoda energi (energy method).

Metoda energi ini adalah yang paling

unggul untuk menganalisa proses


76

pembentukan logam. Metode ini didasarkan

pada prinsip bahwa kerja atau usaha yang

termasuk oleh adanya gaya luar adalah

sama dengan energi deformasi pada

material benda kerja

Metoda elemen hingga (Finite elemen

method)

Metoda eleinen hingga ini diterapkan untuk

daerah deformasi elastic-plastis Dengan

menggunakan metode energi deformasi

seragam. Perhatikan kasus silinder yang

diberi beban tarik. Kenaikan kerja yang

dibutuhkan untuk menambah panjang

adalah :

dimana adalah tegangan luluh

rata-rata. Energi deformasi tiap satuan

volume

adalah :

Kerja plastis deformasi tiap satuan

volume adalah :

......................... (2.5)

Jika kita terapkan minus ini untuk

menarik kawat bulat dari luas Ab menjadi

luas Aa

W = Pa La = Up V = Aa La ln

P3 = Aa ln P3 = A3 ln

Tegangan tarik adalah :

= = ln

= ln ......................... (2.6)

Persamaan (2.6) tidak hanya

mengabaikan gesekan, tetapi juga

mengabaikan pengaruh tegangan melintang.

Jumlah kerja sesungguhnya persatuan

volume pada proses deformasi melebihi

nilai yang diberikan dalam persamaan (2.5).

Disamping kerja deformasi ideal Uf, ada

pula sejumlah kerja untuk mengatasi

gesekan pada permukaan antara logam-die

sebesar Uf dan kehilangan kerja lebih

sebanyak Uf. Kerja lebih adalah kerja yang

melibatkan proses pergeseran internal

akibat deformasi tidak seragam yang tidak

berperan dalam mengubah bentuk benda

kerja. Besarnya Uf tergantung pada

geometri proses dan gesekan. Jadi besarnya

kerja total adalah :

UT = Up + Uf + Ur /4/ (2.7)

Eflsiensi proses dapat dinyatakan

sebagai

η = (2.8)

Penarikan Kawat Operasi penarikan meliputi penarikan

logam melalui cetakan oleh gaya tarik yang

bekerja pada bagian keluar cetakan. Aliran

plastis terutama disebabkan oleh gaya tekan

yang timbul sebagai reaksi dari logam

terhadap cetakan. Pengurangan diameter

batang / kawat dengan cara penarikan

berturutan dinamakan penarikan batang /

kawat, tergantung kepada diameter produk

akhir yang dihasilkan.

Penampang melintang suatu cetakan

tarik atau poci tarik kerucut tampak pada

gambar dibawah. Tempat masuk cetakan

berbentuk sedemikian rupa sehingga kawat

yang masuk poci akan menarik pelumas

sekaligus. Bentuk lonceng meningkatkan

tekanan hidrostatik dan memindahkan

aliran pelumas. Sudut datang adalah bagian

dari cetakan utama terjadi reduksi diameter.

Sudut setengah cetakan α merupakan

parameter proses yang penting. Daerah

bantalan tidak menghasilkan reduksi akan

tetapi menambah gesekan pada kawat.

Fungsi utama daerah bantalan adalah

memungkinkan dibersihkannya permukaan

konis tanpa perubahan dimensi cetakan

keluar. Tirus belakang (back relief)

memungkinkan bahan mengembang sedikit

sewaktu kawat keluar dari cetakan. Pada

saat ini sebagian besar poci tarik dibuat dari

karbida tungsten, atau intan pada proses

industri (untuk kawat halus). Mata tarik

atau (die nib) terletak dalam dudukan baja

yang tebal.


77

Gambar 1.

Perbedaan antara kawat dan batang

kurang jelas, umumnya istilah kawat

digunakan untuk produk berdiameter kecil

dari 5 mm.

Pada proses industri, penarikan kawat

dimulai dengan pengerolan panas batang

kawaL Mula-mula. batang dibersihkan

untuk menghilangkan kerak yang dapat

mengakibatkan cacat permukaan dan

keausan cetakan yang berlebihan. Tahap

berikutnya adalah persiapan batang agar

pelumasan efektif Untuk menghasilkan

kawat berkekuatan tinggi, diperlukan

pelapisan yang hinak dengan kapur atau

lapisan tipis atau timah putih, Selain itu

sering pula digunakan lapisan konversi

seperti sulfat atau oksalat Balian ini

dipergunakan disamping pelunias.

Bila diameter batang cukup kecil

sehingga dapat digulung, gunakan blok

penggulung dan ruang yang diperlukan

tidak terlalu luas, sebab umwnnya reduksi

penampang setiap pas tarik tidak lebih dari

30-35 %, diperlukan reduksi ganda untuk

mencapai reduksi keseluruhan. Mesin blok

ganda dengan satu cetakan dan satu blok

tarik untuk setiap reduksi secara umum.

Karena diameter kawat berkurang setelah

melalui pas tertentu, kecepatan dan panjang

kawat bertambah. Jadi kecepatan setiap

blok tarik harus bertambah besar agar tidak

terjadi slip antara kawat dan blok. Hal ini

dapat dicapai bila kecepatan setiap blok

tank dikendalikan oleh motor tersendiri.

Akan tetapi untuk menghemat energi

digunakan satu motor listrik untuk

menjalankan kerucut bertingkat. Diameter

setiap kerucut dirancang sedemikian

sehingga kecepatannya sebanding dengan

reduksi penampang tertentu. Bila kecepatan

kawat dan kecepatan blok gulung tidak

sesuai, kawat menggeser pada blok sewaktu

berputar dan menyebabkan terjadinya

gesekan dan panas. Kecepatan tarik pada

mesin cetakan ganda dapat mencapai 600

m/menit untuk penarikan kawat besi/baja

dan 2000 m/menit untuk kawat bukan besi.

Timbulnya panas pada operasi tarik

suatu masalah umum. Meskipun penarikan

batang atau kawat biasanya dilakukan

secara dingin deformasi plastik dan gesekan

akan menaikkan temperatur kawat hingga

beberapa ratus derajat ceicius. Sebagian

dari panas tadi dilepaskan pada pendinginan

antar pas dan karena panas yang diserap

cetakan sedikit sekali, kenaikan suhu cukup

besar.

Kawat bukan besi dan kawat baja

karbon rendah, dihasilkan dalam sejumlah

temper yang bervariasi dari yang sangat

lunak hingga yang sangat keras. Kadang-

kadang diperlukan proses pelunakan yang

setara, tergantung padajenis logam dan

reduksi yang diinginkan.

Cacat yang terjadi pada kawat dan

batang dihasilkan oleh cacat pada batang

mula (kampuh, potongan-potongan atau

cacat pipa) atau akibat proses deformasi.

Tipe cacat penarikan yang umum adalah:

pecah sentral atau cetakan cevron. Hal ini

dinamakan "cupping", Analisis batas atas

mampu mengidentifikasi kombinasi sudut

setengah cetak dan reduksi., jika berbentuk

rongga ditengah, maka diperlukan energi

deformasi yang lebih kecil.

Analisis Penarikan Kawat

Walaupun penarikan kawat nampaknya

proses pengerjaan logam yang paling

sederhana, analisis lengkap yang dapat

menentukan gaya tarik dengan ketelitian ±

20 %, merupakan persoalan yang agak

sukar. Kita akan menggunakan penarikan

kawat sebagai suatu contoh bagaimana cara

membina model untuk mendekati keadaan

sebenarnya.


78

Pendekatan harga tegangan tarik dengan

menggunakan metode energi deformasi

seragam dengan persamaan :

/4/

......................... (2.9)

Persamaan ini tidak hanya mengabaikan

gesekan, tetapi juga mengabaikan pengaruh

tegangan melintang dan deformasi yang

berlebihan.

Gambar 2.

Analisis yang hampir sama untuk

penarikan kawat telah dilakukan oleh

Johnson dan Rowe. Luas permukaan kontak

antara kawat dan cetakan adalah

/4/ ....................... (2.10)

dan tekanan normal rata-rata pada luas

tersebut adalah p. Gaya yang bekerja dalam

arah aksial ditunjukkan pada gambar diatas.

Gaya tarik Pd diimbangi oleh komponen

horisontal gaya gesekan dan komponen

horisontal tekanan normal.

Pd = ....................... (2.11)

Pd =

(2.12)

Pd = (2.13)

METODOLOGI

Perancangan Ring Dinamometer Load cell (sel beban) mempunyai

beberapa bentuk diantaranya link, beam dan

ring. Penggunaan masing-masing load cell

ini tergantung kepada kebutuhan (bentuk

pembebanan). Load cell ini berbentuk ring

yang digunakan untuk pengujian pada

penarikan kawat. Ring dinamometer ini

merupakan sebuah trandaser untuk

mengukur gaya yang diberikan (gaya

penarikan kawat). Sedangkan sebagai

sensor atau perasa perubahan elastis pada

ring dinamometer ini digunakan strain

gauge.

Gaya penarikan yang diberikan akan

diteruskan pada setiap bagian dalain ring

berbentuk gaya normal, gaya geser dan

momen lentur. Gaya normal dan momen

akan menghasilkan tegangan normal dalam

ring. Pengukuran tegangan normal yang

terjadi dapat dilakukan dengan pemasangan

strain gauge pada ring.

Strain gauge dipasangkan pada

permukaan yang mengalami tegangan

normal maksimum supaya sinyal yang

dihasilkan dapat maksimum serta dapat

mengontrol posisi gagal dari ring. Ring

akan gagal bila mengalami pembebanan di

atas daerah elastis (deformasi plastis).

Variabel-variabel Perancangan Ring

Dinamometer. Variabel-variabel yang membatasi

perancangan dimensi ring dinamometer ini

adalah :

1. Ks (sensitifitas regangan). Strain gauge

yang digunakan adalah jenis FLA-5-3L-

11 dengan Ks = 2,14 ,tahanan 120,3 ±

0,5% ohm dan panjang 5 mm.

2. Gaya penarikan maksimum P. Gaya

penarikan dirancang dari ukuran standar

spesimen dengan diameter 3,5 mm.

Dengan mengambil kekuatan tarik

maksimum material adalah 100

kgf/mm2 maka :

kgf/mm2

/A

. A

= 100.(

= 962,11 kgf (dibulatkanmenjadi

1000 kgf atau 10000N)

3. Tegangan keluaran dan masukan pada

rangkaian strain gauge (Eo dan E,)

adalah :

E0 = 1,2 mV

E1 = 4200 mV

Kedua besaran merupakan variabel

tetap dari strain gauge. Bila tegangan


79

maksimum input melebihi nilai di atas

menyebabkan strain gauge akan hangus

(gagal). Tegangan keluaran E0 pada beban

maksimum adalah 1,2 mV.

4. Modulus elastisitas (E) ring. Bahan

yang digunakan untuk membuat ring

adalah ASSAB 705. Untuk berbagai

jenis baja nilai modulus elastisitas dapat

dianggap sama yaitu 200 GPa (20.000

kgf/mm2).

Besar gaya penarikan maksimum

adalah :

P = ......................... (3.1)

Dimensi dari ring didapatkan melalui

iterasi pada persamaan 3.1 dengan harga P

yang telah ditetapkan. Besaran dimensi

yang lain yaitu ;

tebal ring (b)

jari-jari luar (R0)

jari-jari dalam (R1)

Dengan melakukan pemilihan

terhadap dua besaran tetap misalnya b dan

R0, maka melalui proses iterasi harga R1

akan didapatkan. Pemilihan b dan R0

dengan iterasi juga dapat dilakukan,

tergantung ukuran material yang tersedia.

Besaran-besaran yang mempunyai harga

tetap pada proses iterasi adalah :

P =10000N

KB=2,14

E0 = 4200mV. Dari hasil proses iterasi

didapatkan :

R0 = 31 mm (dengan harga yang

dibulatkan)

R1 = 45 mm

b = 20 mm

Pembuatan Ring Dinamometer Ring dinamometer ini dibuat dengan

materialnya yaitu ASSAB 705. Pembuatan

ring dinamometer ini dengan menggunakan

mesin perkakas turning (bubut), drilling,

boring.

Untuk membentuk ring dinamometer,

material dipotong sesuai dengan ketebalan

yang cocok untuk dipegang pada mesin

perkakas. Setelah itu material dibubut untuk

mendapatkan diameter luar ring

dinamometer ini. Untuk membuat diameter

dalam pada material dilakukan dengan

mesin perkakas drilling. Lalu untuk

memperbesar diameter dalam ring

dinamometer sehingga sesuai dengan yang

diinginkan maka dilakukan proses boring.

Proses akhir pembuatan ring

dinamometer ini adalah pembuatan ulir

pada bagian atas dan bawahnya. Pada ring

ini digunakan ulir Ml2.

Setelah proses ini selesai maka strain

gage direkatkan pada ring dinamometer ini

sehingga pengujian dapat dilakukan.

Alat Ukur Regangan

Strain gauge digunakan mengukur

regangan yang dipakai sebagai sensor

pengukur gaya Strain gauge dipasang pada

permukaan load cell yang mengalami

tegangan normal maksimum, dengan

menggunakan perekat khusus yang lebih

kuat dari strain gauge sendiri. Pada daerah

elastis logam terdapat hubungan linier

antara tegangan dan regangan dalam bentuk

persamaan :

= E. e atau E = (E =

modulus elastisitas/modulus Young) (2.14)

Perubahan beban akan diikuti dengan

perubahan regangan. Pada strain gauge,

perubahan regangan menyebabkan

perubahan tahanan dan perubahan tegangan

keluaran.

Ada berbagai jenis strain gauge

yang biasa digunakan untuk mengukur

gaya, seperti : semi conduktor strain gauge,

foil strain gauge dan wire strain gauge.

Pada ring dinamometer ini digunakan strain

gauge jenis foil. Alasannya adalah :

Kepekaan (sensitivity) yang tinggi

Mudah dalam pemasangan

Mudah didapat

Pembuatan foil strain gauge

dilakukan dengan photo etching. Sebuah

lembaran logam yang sangat tipis (beberapa

micron) dengan tahanan tertentu

ditempelkan pada sebuah lembaran

penyekat (isolator) listrik yang disebut

"base". Penempelan dengan menggunakan

perekat khusus. Untuk membuat bagian-

bagian yang diinginkan, lembaran logam


80

dibentuk menjadi filamen (grid) melalui

photo etching. Bagian yang tak perlu

dibuang, grid yang tinggal berbentuk

kawat-kawat halus sesuai bentuk yang

diinginkan dengan dua ujung yang sengaja

dibentuk lebih besar. Kedua ujung

disambung dengan kabel yang disebut

dengan gage lead. Konstruksi secara umum

untuk strain gauge jenis foil dapat dilihat

pada gambar 3.

Gambar 3. Konstruksi strain gauge

jenis foil

Ada bermacam-macam strain gauge

yang tersedia dalam bebagai bentuk dan

besar tahanan. Umumnya jenis foil

mempunyai tahanan 120Ω dan untuk

keperluan khusus dengan tahanan 350, 500,

1000 hingga 3000 Ω. Beberapa bentuk

strain gauge jenis foil dapat dilihat pada

gambar 4.

Gambar 4. Beberapa bentuk strain

gauge jenis foil

Prinsip Kerja Strain Gauge

Strain gauge bekerja alas dasar

perubahan tahanan listrik. Jika kawat logam

yang memiliki tahanan jenis , panjang L

dan luas penarnpang A. maka tahanan R

ditulis sebagai :

R = (3.2)

Bila kawat diberi tegangan maka

akan terjadi dua regangan yaitu : regangan

aksial dan regangan lateral . Masing-

masing regangan merupakan fungsi panjang

dan diameter, seperti persamaan berikut :

= (3.3a)

= (3.3b)

dengan d adalah diameter [mm] dan 1

paniana [mm]. Perbandingan antara

regangan lateral dan regangan aksial di

kenal dengan perbandingan Poisson (Poison

ratio) dan dengan bentuk persamaan

ditulis :

= (3.4)

Bila persamaan .3.2

dideferensialkan (diturunkan) dalam bentuk

perubahan tahanan kemudian

disubstitusikan kedalam persamaan 3.3a

dan 3.3b akan meaghasilkan :

(3.5)

suku pertama merupakan perubahan

tahanan jents, suku kedaa adalah regangan

dan suku ketiga adalah reduksi penampang.

Dua suku terakhir daput ditulis kembali

sebagai fungsi regangan,

(3.5a)

(3.5b)

maka diperoleh persamaan untuk

perubahan tahanan sebagai berikut :

atau

(3.5)

Hubungan dikenal sebagai

sensitifitas regangan dan sering

dilambangkan dengan Kg (Sg). Strain gauge

dipakai dari tipe FLA-5-3L-11 jenis foil

dengan Kg = 2,14 ± 1%, panjang 5 mm

dengan tahanan 120 ± 0,5% Ohm.

Jembatan Wheatstone

Strain gauge dirangkai dengan

menggunakan jembatan Wheatstone dimana

ada empat buah tahanan yaitu : R1, R3 pada

permukaan ring dinamometer diameter luar

sedangkan R2, R4 pada permukaan diameter


81

dalam agar dihasilkan perubahan tegangan

(E0) maksimum, seperti pada gambar 5.

Gambar 5.

Untuk strain gauge diperoleh hubungan

antara perubahan tahanan dengan tegangan

yang sebanding :

..................... (3.12a)

..................... (3.12b)

Harga E0 maksimum dihasilkan pada

pemasangan strain gauge yang diatur

sedemikian rupa sehingga posisi 1,3 dalara

keadaan tarik dan 2,4 dalam keadaan tekan.

Pemasangan Strain Gauge

Strain gauge dipasangkan pada bagian

ring yang akan diukur dengan

menggunakan perekat khusus. Perekat

harus memenuhi persyaratan sebagai

berikut :

Berkekuatan tinggi

Daya lekat tinggi

Berdaya lentur tinggi (dapat mengikuti

peregangan ring)

Tidak mudah retak

Tidak menyerap air

Umumnya perekat yang dijual

dipasaran adalah dari bahan cellulose,

phenolic, epoxy dan ceramic. Pada

dinamometer ini digunakan perekat loctite

401 dari jenis phenolic.

Untuk pemasangan strain gauge

yang baik harus mengikuti langkah-langkah

pemasangan sebagai berikut:

Bagian load cell yang akan ditempel

diamplas hingga bersih dari kotoran tapi

jangan sampai terlalu licin

Buat garis posisi pada load cell tempat

pemasangan strain gauge agar posisi dan

kemiringan peraasangannya tepat.

Gunakan perekat khusus sesuai dengan

jenis strain gauge

Gunakan plastik anti lekat lem sewaktu

penekanan

Penekanan dilakukan 5 sampai 10 menit

untuk kesempumaan penempelan.

Pengujian sebaiknya dilakukan minimal

24 jam setelah penempelan,

Hal-hal yang diperhatikan saat pemasangan

strain gauge adalah :

Jangan memasang strain gauge saat load

cell mengalami regangan atau berbeban

Pemasangan dilakukan pada suhu kamar

Yakinkan bahwa posisi perekatan benar-

benar mantap

Amplifier

Sinyal hasil keluaran dari rangkaian

strain gauge sangat kecil untuk itu perlu

penguat operasional (operational amplifier)

agar sinyal keluaran dapat dibaca dengan

alat ukur. Strain gauge tipe FLA-5-3L-11

dapat menghasilkan keluaran 1,2 mV pada

masukan 4200 rnV dengan tahanan 120 Ω.

Keluaran 1,2 rnV dihasilkan pada regangan

maksimum dari strain gauge. Multimeter

sebagai alat ukur dengan kemampuan

pembacaan 1 mV tidak dapat mengukur

pembahan teganoan keluaran daiam micron

Volt.

Agar pengukuran dapat dilakukan

dengan data bervariasi dalam orde minimal

miliVolt, maka diperlukan penguatan 1000

kali dari sinyal hasil peregangan strain

gauge.

Rangka

Struktur rangka dari alat uji penarikan

kawat ini berbentuk batangan baja profil C.

Struktur rangka ini dibuat berbentuk

vertikal supaya dapat menghemat tempat

dan terutama sekali pengujian dapat

dilakukan secara vertikal. Alat penarikan

kawat tersebut dibuat oleh saudara Very

Refrimon (1993) yang merupakan tugas

akhir yang bersangkutan.

Dies

Dies untuk uji penarikan kawat ini

diperoleh dari industri penarikan kawat di

Cilegon. Dies ini merupakan dies bekas

pakai yang masih cukup baik dan masih

bisa dimanfaatkan. Kendalanya adalah

tingkat reduksi antar masing-raasing dies

ini tidak terurut. Hal ini menyebabkan


82

penarikan antar tingkat reduksi yang

berurutan tidak dapat dilakukan.

Komponen Penggerak

Untuk menghasilkan gaya penarikan

dengan menggunakan motor listrik 3 phasa,

daya 1 Hp. tegangan input 380 Volt dan

putaran 1500 rpm. Untuk mereduksi

putaran motor dipakai roda gigi reduksi

yang memiliki rasio 1:60, sehingga

putarannya menjadi 25 rpm, Untuk menarik

kawat daya ditransmisikan dengan

menggunakan rantai. Sproket yang

digunakan menghasilkan putaran sebesar 9

rpm. Sproker yang digerakkan terpasang

pada poros yang juga dipasangkan drum

untuk menggulung kawat penarik. Kawat

penarik dihubungkan pada puli penggerak.

Pada ujung kawat penarik ini dipasang ring

dinamometer untuk mengukur regangan

dan ragum untuk menjepit kawat yang akan

ditarik. Kawat penarik yang digunakan

adalah kawat baja slink dengan kemampuan

tarik sebesar 500 kg.

Prosedur Pengujian

Prosedur pengujian penarikan kawat

adalah sebagai berikut :

Memasangkan strain gauge pada load

cell

Mengkalibrasi pengukuran

Melakukan pengujian pada load cell

Pencatatan hasil pengukuran pada load

cell

Penarikan kawat

Langkah pengujian load cell dapat

dilakukan dengan memberikan beban

bervariasi. Pembebanan dilakukan bertahap

dengan membuka dan menutup katup beban

pada mesin uji tarik.

Setiap variasi beban catat perubahan

tegangan (voltase) yang dihasilkan.

Percobaan ini dilakukan berulang kali untuk

mendapatkan hasil yang baik.

Setelah itu proses penarikan kawat dapat

dilakukan jika data dan grafik gaya dengan

perubahan tegangan didapatkan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil yang diperoleh dari pengujian

penarikan kawat adalah gaya penarikan

kawat. Data yang pada pengujian ini

dibandingkan dengan gaya penarikan

teoritis. Gaya penarikan kawat didapatkan

pada pengujian dengan menggunakan

dinamometer ring sebagai alat ukur.

Kalibrasi Dinamometer Ring Sebelum dinamometer dipakai untuk

pengujian terlebih dahulu dilakukan

kalibrasi. Kalibrasi dinamometer ring

dilakukan dengan memberikan beban

bertahap dari beban nol hingga maksimum.

Pembebanan bertahap dilakukan dengan

membuka dan menutup katup beban pada

mesin uji tarik. Setiap tingkat beban yang

diberikan, dicatat perubahan tegangan yang

keluar dari rangkaian setelah melewati

penguat operasional. Untuk memastikan

tingkat sensitifitas yang baik, beban

bertahap diberikan secara acak Kedua

besaran beban dan tegangan disusun untuk

membentuk persamaan kalibrasi dengan

metoda regresi. Hasil lengkap pengukuran

sensitifitas dapat dilihat pada Lampiran B.

Hasil kalibrasi beban dan tegangan

hingga beban tarik maksimum 10. 000. N

yang ditetapkan, mempunyai perbandingan

linier dengan tingkat kepercayaan 98 %.

Hasil Pengujian

Proses penarikan kawat dapat

dilakukan setelah data hubungan antara

beban (gaya) dengan perubahan tegangan

(voltase) dari alat ukur ring dinamometer

didapat Langkah pertama adalah persiapan

spesimen kawat yang akan ditarik. Proses

penarikan dapat dilakukan setelah kawat,

dies serta semua peralatan alat ukur telah

disiapkan.

Peacatatan perubahan tegangan

(voltase) yang keluar selama waktu

penarikan kawat dilakukan dengan

menggunakan amplifier dan multitester.

Besar gaya penarikan kawat yangterjadi

dapat diketahui dari kalibrasi ring

dinamometer.


83

Pengujian penarikan kawat dengan

meaggunakan dua jenis material spesimen

yaitu : kawat lembaga dan kawat kuningan.

Panjang spesimen ini ditetapkan 25 cm.

Bentuk dan ukuran spesimen seperti yang

tergambar dibawah ini :

Gambar 6. Spesimen kawat yang

akan dideformasi

Da = diameter kawat setelah

dideformasi

Db = diameter kawat sebelum

dideformasi

Ujung diameter kawat Da sebelum

pengujian penarikan kawat dipersiapkan

dengan proses gerinda.

Pada penarikan kawat tembaga

dilakukan dua kali penarikan secara

bertingkat. Ssdangkan pada penarikan

kawat kuningan dilakukan hanya pada satu

tingkat reduksi karena dies yang tersedia

tidak memungkinkan dilakukannya

penarikan bertingkat

Gaya Penarikan Teoritis

Secara teoritis gaya penarikan kawat

dapat dinyatakan dengan persamaan :

......................... (4.1)

Dimana :

tegangan alir rata-rata pada daerah

deformasi

= luas penampang kawat sebelum

deformasi

= luas penampang kawat setelah

deformasi

= koefisien gesek

= sudut setengah cetakan

Gaya penarikan teoritis ini

memperhitungkan tegangan alir material

kawat, faktor gesekan serta faktor sudut

setengah cetakan.

Harga tegangan alir didapatkan dengan

melakukan uji tarik terhadap material kawat

Nilai koefisien gesek sebesar = 0,1 yang

didapat dan referensi dan besar sudut

setengah cetakan (a = 180).

Untuk reduksi tingkat 1 pada tembaga

Db == 2.25 mm, D3 = 2 mm

Nilai regangan adalah :

........................ (4.2)

Tegangan alir rata-rata dinyatakan dalam

bentuk persamaan:

........................ (4.3)

Jadi nilai tegangan alir rata-rata serta

konstanta K dan n didapatkan dengan

melakukan uji tarik lerhadap spesimen

kawat (Tabel 4.2).

Gaya Penarikan eksperimental

Data-data perubahan tegangan (voltase)

serta besar gaya penarikan kawat dapat

dilihat padaTabel 4.1. Besar gaya penarikan

kawat ini didapatkan dari perubahan

tegangan (voltase) yang keluar (dihasilkan)

dari pengujian penarikan kawat.

Analisis

Tembaga (pengujian gagal)

Gaya Fp pada penarikan kawat tembaga

reduksi pertama untuk 1,2,3,4 (lampiran F)

tidak dapat digunakan (data gagal) karena :

1. Pada kasus 1 ujung kawat yang dijepit

panjangnya 25 mm (terlalu pendek), jadi

ketika ditarik kawat terlepas.

2. Pada kasus 2 kawat juga terlepas, ini

disebabkan permukaan kawat yang

digerinda terlalu licin (mudah terlepas).

Jadi diusahakan permukaan kawat yang

dijepit kasar.

3. Saat terjadi penarikan, kawat yang

dijepit patah. Hal ini disebabkan reduksi

(pengurangan diameternya) terlalu besar.

Diameter kawat sebelum penarikan (Db

= 2,5 mm).

4. Db = 2,35 mm, Da = 2,00 mm, pada

penarikan ini juga masih patah karena

proses penarikan tanpa pelumasan.


84

Kuningan (pengujian gagal)

Gaya Fp pada penarikan kawat

kuningan untuk data 1,2 (lampiran F) tidak

dapat digunakan (data gagal) karena :

1. Pada kasus 1 kuningan ini juga terjadi

patah, karena reduksi terlalu besar (Db =

4,5 mn , Da= 3,9 mm).

2. Penyebab patah disini juga karena tanpa

pelumasan (Db = 4,3 mm , Da = 3,9 mm).

Analisa pengujian yang berhasil Hasil Pengujian penarikan kawat

(tembaga reduksi 1 Fp = 72,88 kgf, tembaga

reduksi 2 Fp = 95,88 kgf dan kuningan Fp =

102,23 kgf). Hasil penarikan kawat teoritis

(tembaga. reduksi 1 Ft = 59,06 kgf, tembaga

reduksi kedua Ft = 71,53 kgf dan kuningan

Ft= 126,5 kgf). Dari sana dapat terlihat

penyimpangan data yang cukup besar

antara, percobaan dengan gaya penarikan

teoritis, hal ini dipengaruhi oleh beberapa

faktor yaitu :

1. Spesimen kawat yang tidak lurus,

sehingga pada waktu terjadi penarikan

menimbulkan gaya gesek yang cukup

besar.

2. Penarikan kawat kurang rata, sehingga

menimbulkan gaya gesek cukup besar.

3. Ukuran diameter kawat yaag tidak

homogen

4. Pada dinamometer ring pembuatan ulir

dalamnya terbuat agak miring (tidak

sesumbu).

Fenomena pengerasan regangan (strain

hardening) dapat terlihat pada penarikan

bertingkat (reduksi yang kedua). Strain

hardening terjadi akibat deformasi yang

dilakukan dibawah temperatur rekristalisasi

(pengerjaan dingin). Pengerasan regangan

meuyebabkan naiknya kekerasan, naiknya

kekuatan serta turunnya keuleten.

Fenornena ini ditunjukkan dengan

bertambah besarnya gaya penarikan pada

tiap tingkat penarikan berikutnya.

Pada pengujian penarikan kawat

tembaga, bertambahnya besarnya gaya

penarikan selain disebabkan oleh strain

hardening, juga akibat reduksi yang lebih

besar pada tingkat penarikan yang kedua.

Diameter kawat juga mempengaruhi gaya

penarikan kawat. Semakin besar diameter

kawat, maka semakin besar gaya penarikan

kawat.

Tabel 1. Perbandingan Gaya Penarikan

Kawat Percobaan dengan Teoritis

Table 2. Tegangan Alir

SIMPULAN

Setelah dilakukan pengujian dan

pengkalibrasian alat ukur ring dinamometer

serta pengujian penarikan kawat, dapat

diambil kesimpulan sebagai berikut:

Gaya penarikan kawat pada pengujian

lebih besar dan gaya penarikan kawat

teoritisnya,

Adapun penyebab penyimpangan-

penyimpangan antara data percobaan dan

teoritis, adalah sebagai berikut :

1. Faktor penguatan (amplifier) tidak

terkalibrasi dengan baik (belum

tersedianya standar dan pembanding

amplifier) dan adanya gangguan pada

rangkaian amplifier.

2. Akibat kondisi spesimen tidak lurus dan

tidak rata yang menyebabkan faktor

gesekan cukup besar.

3. Pemasangan strain gage yang tidak tepat

pada posisi 0° dan posisi 900

terhadap

garis referensi serta pembuatan ulir

dalamnya tidak tepat sesumbu.

4. Pembacaan harga tegangan pada

multitester yang kurang akurat.


85

SARAN

Melihat adanya kekurangan-kekurangan

dari alat ini, maka saran yang dapat

diberikan adalah sebagai berikut:

1. Untuk pengujian penarikan kavvat

sebaiknya menggunakan amplifier yang

telah memiliki standar kalibrasi yang

baik.

2. Pembuatan ulir dalam pada dinamometer

ring dibuat sesumbu (tegak lurus)

3. Penambahan beban pada pengiyian

dinamometer ring dilakukan perlahan-

lahan dan katup penambahan beban

ditutup agak lama sehingga setelah gaya

stabil sensitifitas taktor penguatan

amplifier dapat membaca dengan

ketelitian yang baik.

4. Tempatkan stran gauge di kedudukan

yang tepat pada dinamometer ring,

usahakan penyimpangan sudut dari garis

referensi seminimal mungkin.

5. Untuk keselamatan dan keamanan

selama pengujian, perlu ditambahkan

pada konstruksi alat uji ini suatu

penuntun terhadap ring dinamometer,

supaya tidak terbanting jika kawat yang

ditarik lepas atau putus.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Boresi, Arthur P, Sidebottom, O.M.

Advanced Mechanic of Material, 4th

John Wiley & Sons, Inc, New York,

1985.

[2] Beckwith, T.G ; Buck, N.L.;

Marangoni R.D. Pengukuran

Mekanis, jilid 1, Erlangga, Jakarta,

1987.

[3] Dieter,G.E. Metalurgi mekanik. edisi

ketiga, jilid 2, Erlangga, Jakarta,

1990.

[4] Dieter, G.I, Metalurgi Mekanik, edisi

ketiga., jilid 2, Erlangga, Jakarta,

1990

[5] Dafly, James W. Instrumentation for

Engineering Measurements. John

Wiley & Sons, Inc, New York, 1985.

[6] Dr. Ir. Marjono Siswosuwarno. Teknik

Pembentukan Logam ITB, Bandung,

1985,

[7] Holman, J. P Metoda Penguburan

Teknik, edisi kedua, Erlangga, Jakarta,

1984.

[8] Popov, Egor P. Erlangga, Jakarta,

1990. Ozisik, Necati M. and Yildiz,

Bayazitoglu, Element of Heat

Transfer, Mc Graw-Hill, Singapore,

1988.

[9] Surdia, Tata dan Shinroken, Saito,

Pengetahuan Bahan Tehnik, Jakarta,

PT. Paradinya Paramita, 1985.

[10] Viack, Lawrence H. Van, Elements of

Materials Science and Enginering, 4th

edition, Addison-Wesley Publishing

Company, USA, 1980.

Dinamometer Untuk Alat Uji penarikan Kawat (Perancangan ...

Documents

Transcript of Dinamometer Untuk Alat Uji penarikan Kawat (Perancangan ...